千兆瓦静态励磁发电机高频轴电流调谐滤波器研究

许焕清，王宏华，王成亮

（1.江苏方天电力技术有限公司，南京211102；2.河海大学能源与电气学院，南京210098）

0 引 言

1 000 MW发电机在全国装机容量的占比逐年提高，百万千瓦发电机的可靠性对电力系统显得更为重要。近五年江苏省机组非计划停运分析表明，1 000 MW机组在非计划停运总次数中占了很高比例，特别是发电机原因造成的非计划停运呈现较大幅度的增长趋势。

在机组运行中，发电机轴两端之间、转轴与地或轴承之间形成的电压，称之为轴电压。轴电压是制约大型同步发电机安全可靠运行的重要问题之一。过高的轴电压会击穿发电机轴与轴承间的润滑油膜而产生放电，造成电腐蚀，损害轴承等部件，加速机械磨损，缩短电机寿命，严重时会造成停机，危及电力系统的稳定运行，造成重大损失。

国内外学者和工程师们已经认识到轴电压问题所产生的严重危害，相关文献对于电动机和较小容量发电机的轴电压问题开展了大量研究［1-9］。现场经验表明［10-15］，发电机在运行时产生的轴电压是不可避免的，300 MW及以下发电机轴电压多为3 V～5 V，现场不少1 000 MW发电机轴电压接近20 V，个别发电机出现了50 V左右的轴电压。现有文献［1，4，12-15］对发电机轴电压产生的原因进行了定性分析，但对1 000 MW发电机轴电压和轴电流抑制措施的建模仿真和深入研究开展得较少。

轴电压对发电机的危害主要源于异常的轴电压产生的轴电流。当轴电流密度很大时，轴电流通过的轴颈、轴瓦等部件将被烧坏；轴电流引起的电弧也会烧蚀轴承部件并使润滑油老化，加速轴承的机械磨损；轴电流还会使发电机端盖、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈和叶轮处产生单极电势，加剧轴电压的产生，造成恶性循环。当轴电流频率较高时，会使得现场的测振装置误判引起跳机。

为了采取措施抑制轴电压和防止有害的高频轴电流产生，以江苏某1 000 MW静态励磁汽轮发电机为研究对象，在实测发电机轴电压的基础上，建立了基于实际参数的1 000 MW发电机轴电压模型，并进行了仿真分析。在仿真分析的基础上，提出了一种选择滤除静态励磁发电机高频轴电流的调谐滤波器，并对滤波器的应用开展了仿真研究。

1 1 000 MW发电机轴电压实测分析

对江苏某电厂1 000 MW汽轮发电机的轴电压开展了现场实测。该某发电机配套静态励磁系统为某公司产品，其励磁电流为3 817 A、励磁电压为274.3 V，技术参数见表1。

表1 发电机及励磁参数Tab.1 Parameters of generator and excitation

该发电机轴电压的实测时域波形如图1所示，轴电压有效值为20.01 V。图1中，上图为测试波形，下图为波形展开。对发电机实测轴电压进行了FFT分析，其主要频谱及数值如表2所示。

图1 某1 000 MW发电机轴电压实测时域波形Fig.1 Shaft voltage test time domain waveform of a 1 000 MW generator

表2 某1 000 MW发电机实测轴电压主要频谱及数值Tab.2 Main frequency spectrum and numerical value of shaft voltage of a 1 000 MW generator

由频域分析可见，轴电压最大峰值及最大能量出现在1 051 Hz频率处，根据时域波形判断为周期性峰值出现；次大峰值为451 Hz频率处。实测结果表明，采用静态励磁系统的1 000 MW发电机因晶闸管换流不可避免在励磁系统的输出中有高频轴电压脉冲，使得轴电压具有幅值较大的谐波脉冲分量，成为大型静态励磁发电机产生轴电压的主要原因之一。在轴电压的谐波分量中，还存在幅值较小的2倍工频（101.6 Hz）、工频及其偶次谐波分量，表明发电机本身磁路不对称或剩磁产生的轴电压较小。

2 1 000 MW发电机轴电压仿真建模

国内1 000 MW发电机多采用静态励磁系统。本文按照江苏某电厂静态励磁1 000 MW汽轮发电机技术数据，基于Matlab Simulink Power System建立了静态励磁发电机轴电压的仿真模型，如图2所示。仿真模型包括静态励磁系统（Rectifier）、转子励磁绕组系统（Excition Winding）和转子轴系系统（Rotor Shaft＆Turbines）三个子系统。

图2 静态励磁发电机轴电压仿真模型Fig.2 Shaft voltage simulation model of static excitation generator

静止励磁系统给转子励磁绕组提供直流励磁，主要由三相励磁变压器和三相全控桥整流器构成。三相全控桥式整流的三相桥电路模块选用Universal Bridge模块。励磁变按机组实际数据设置为Yd11型三相双绕组变压器，将励磁变三相对地电容均设置为 0.05μF。

按照转子实际技术数据，转子励磁绕组共14个线圈，每个线圈7匝。计及端部漏磁场的影响，对励磁绕组端部的两个线圈单独建模，其每半匝导线均由一个电感和两个电容的π型电路模拟，中间的12个线圈作集总处理，其每半个线圈用一个电感和两个电容构成的π型电路模拟，建立转子励磁绕组的子系统仿真模型。

将两个低压缸、一个中压缸、一个高压缸分别用相应的电感模拟，而这些位置处及汽侧（TE）、励侧（EE）位置处分别设置了对地电容以模拟转轴对地的分布电容，建立转子轴系子系统仿真模型。

定义整流桥输出正极A和负极B对地电压U1、U2的平均值为共模电压UC，用SCOPEUC记录共模电压。仿真选用ode23tb算法，利用power gui模块进行定步长离散采样。

3 1 000 MW发电机轴电压仿真分析

3.1 未采取任何措施的轴电压仿真

仿真结果如图3所示，将三相全控桥整流器触发角均设置为90°。由图可见，静态励磁系统整流输出的共模电压基频为150 Hz，三相全控桥整流器换流将引起高频共模电压尖峰脉冲。静态励磁系统引起轴电压的主要成分是共模电压基频及其3次、5次、7次等高频奇次谐波分量。不采取任何轴电压防护措施时，励侧轴电压幅值将突破80 V，危及机组安全运行。

现场实测和仿真结果表明，静态励磁系统输出的共模电压高频奇次谐波是大型汽轮发电机的主要轴电压源。

3.2 采取常规抑制轴电压措施的仿真

当前大型发电机组广泛采用汽侧经碳刷可靠接地、励侧经RC并联网络接地的抑制轴电压措施。图4为采取常规抑制轴电压措施的发电机轴电压和轴电流的仿真。图中励侧RC并联网络的电阻值取510Ω，电容取10μF，接地电阻为0.1Ω。

在图4中，（a）为发电机励侧轴电压仿真波形，（b）、（c）分别为采用常规抑制措施的轴电流时域仿真波形及其FFT。仿真表明，常规抑制措施对轴电压具有明显抑制作用，励侧轴电压幅值有明显下降。由轴电流频谱可见，三相全控桥整流器换流引起的高频脉冲轴电压并不能完全消除，轴电流依然以共模电压的基频及其3次、5次、7次等谐波分量为其主要成分，这是由于大轴的阻抗对励侧轴电压的高频成分影响大所致，因此，常规抑制措施不能消除轴电流的高频成分。

现场的故障分析表明，高频轴电流对汽机的测振装置构成干扰，易引起振动误判而报警，严重时可引发跳机。因此，高频轴电流分量将对机组安全运行构成隐患，有必要对现有抑制措施进行改进，有选择地滤除高频轴电流分量。

图4 采用常规抑制措施的轴电压和轴电流仿真Fig.4 Shaft voltage and shaft current simulation with normal suppression measures

4 高频轴电流调谐滤波器的设计及仿真

针对现有轴电压抑制措施的局限，本文提出了一种选择滤除静态励磁发电机高频轴电流的调谐滤波器，如图5所示。

图5 高频轴电流调谐滤波器结构图Fig.5 Schematic diagram of the tuned filter for decreasing high frequency shaft current

图5中，调谐滤波器由电容C、电阻R和无源谐波滤波器并联组成，其一端接地，另一端接同步发电机励侧转轴，同步发电机汽侧转轴接地。为了对调谐滤波器的原件进行保护，设置了快速熔断丝F1和F2。

无源谐波滤波器由电感L1和电容C1串联组成，其取值满足：

式中fn为所要滤除的共模电压第n次谐波引起的高频轴电流分量的频率（Hz），fn＝150n，n＝3，5，7，9……。

基于建立的1 000 MW静止励磁汽轮发电机组轴电压仿真模型，将所提出的调谐滤波器接入，进行仿真分析。依据式（1）选取电感L1和电容C1，以滤除三倍工频的7次谐波为例仿真研究调谐滤波器的滤除高频轴电流效果，仿真参数设置如下：n选为7，R取为510Ω，C取为10μF，接地电阻为0.1Ω。调谐滤波器的电感L1和电容C1取值满足：

图6为采用上述设计的调谐滤波器的轴电压、轴电流仿真结果。其中，（a）为励侧轴电压时域仿真波形，（b）、（c）分别为轴电流仿真时域波形及其FFT。

图6 采用调谐滤波器的仿真波形Fig.6 Simulation results with the tuned filter

由图6可见，所设计的7次谐波滤波器有效地滤除了所设定的轴电流中的7次谐波（1 050 Hz）分量。仿真结果表明，本文所提出的在现有常规抑制轴电压措施的基础上增加调谐滤波器的方法，不仅能有效抑制轴电压，而且能滤除所选择的高频轴电流分量。

5 结束语

随着晶闸管静态励磁系统在大型发电机中的广泛应用，轴电压成为制约大型发电机安全可靠运行的严重问题之一。研究表明静态励磁系统输出共模电压基频（150 Hz）及其3次、5次、7次等高频奇次谐波是大型汽轮发电机的主要轴电压源。

提出的在现有常规抑制轴电压措施的基础上增加调谐滤波器的方法，在显著抑制因同步发电机磁通不对称等机组自身结构原因引起的直流轴电压、低频轴电压的同时，能有效选择性地滤除静止励磁系统输出共模电压某次谐波引起的同步发电机高频轴电流，可用于同步发电机静态励磁轴电压和轴电流的防治，可提高大型同步发电机组的安全可靠运行水平。